陈一帆，龙泽链，林明松，谢军，蒋金明

（广西交通职业技术学院，广西 南宁 530004）

汽车发动机有接近70%的热能是以废热被直接排放到环境中，造成了巨大的能源浪费和空气污染，因此，高热效率和低排放的汽车发动机系统一直以来都是发动机技术研究的重要方向。理论上通过提高压缩比、工质绝热指数、燃烧等容度、燃烧方式、燃料组合等方法可以将汽车发动机的热效率达到较高的水平，然而受制于材料技术、工作原理和应用环境等多方面的原因，汽车发动机热效率一直难以获得较大的突破。

从功能的耗用的角度来说，在燃油车上，传统的空调和车载电器以发动机为动力源驱动，这将进一步降低的发动机的动力输出性能。刘淼等人[1]以家用桥车为例，测试发现夏季车载空调制冷系统最高会占用到10% 耀20%的发动机功率。减少发动机在非动力方面的能量消耗技术和提高发动机热效率的技术，对于汽车发动机技术有着同样的意义。为此，稳定的汽车余热能量回收，成为了当前发动机技术研究的重要方向。

汽车发动机中存在余热利用潜能且较为容易进行余热利用的部件主要有冷却系统中的高温冷却水和尾气。从能源质量的角度来说，高温冷却水温度较低属于低效余热热源、而汽车尾气温度较高属于高效的余热利用热源。当前汽车主要的余热利用技术有：（1）吸收式或吸附式余热空调系统；
（2）TEG 热导电技术；
（3）EHRS 热导热的技术；
（4）ORC 有机朗肯循环技术，通过余热，利用膨胀机获得机械能等。

1.1 发动机余热驱动的吸收式制冷系统

余热驱动的吸收式制冷空调系统，主要利用制冷剂的蒸发吸热的原理实现制冷。发动机余热驱动的吸收式制冷系统，通过余热驱动吸收式制冷空调，减少发动机在机械式空调系统对功率的损耗实现节能的目的。基于该原理，大连理工大学路明[2]等人利用溴化锂溶液，通过对车载吸收式制冷空调系统研究，基于载客量55 人的客车，开发出余热驱动的车载吸收式制冷系统，功率最高可以达到27 kW，COP 可以达到0.5548。

1.2 发动机余热驱动的吸附式制冷系统

吸附式制冷系统是利用某些固体对气体的释放与吸附过程中伴随的吸放热特性而达到制冷目的一种制冷方式。发动机余热驱动的吸附式制冷系统，通过余热驱动吸附式制冷空调，减少发动机在机械式空调系统对功率的损耗实现节能的目的。车载吸收式余热空调基本原理是：利用汽车余热作为吸附式制冷系统的高温来源，通过吸附床与冷凝器、节流阀、蒸发器之间的作用实现蒸发、冷凝、膨胀、蒸发的功能，完成空调制冷循环。基于该原理，田宜聪[3]等人基于柴油机矿车开发出功率为3 kW 的吸附式制冷系统，COP 约0.2 耀0.25。

1.3 温差发电技术

TEG 温差发电技术基于塞贝克效应，利用由于温差在导体内产生载流子，从而实现热电现象的方法，实现发电功能。本田制造的TEG 余热回收系统，它产生的能量用于给LED 灯组发电，该系统在两侧温差30 益的时候可以达到20 W 的发电功率。张帅[4]等人基于温差发电技术获得输出功率为37.9 W 的电能。

1.4 发动机余热驱动的EHRS 热导热的技术

EHRS 热导热的技术，通过余热加快暖机速度、稳定系统工作状态，实现降低排放及油耗等功能。EHRS 热导热的技术较为简单，节能减排效果也比较明显，但是EHRS 热导热的技术只能改善发动机的运行工况，不能对热能进行有效回收，这也制约了EHRS 热导热的技术的节能效益。

1.5 发动机余热驱动的ORC 有机朗肯循环技术

有机朗肯循环（OrganicRankineCycle，简称ORC）是以低沸点有机物为工质的朗肯循环[5，6]。为了研究有机朗肯循环技术在发动机余热回收的效率，日本本田和丰田公司、美国康明斯公司都分别针对旗下发动机进行过有机朗肯循环余热回收改造，发现余热回收效果明显，可以提高4% ～ 10%的余热回收效率。由于在实际行驶过程中，汽车会出现频繁的起停以及怠速等状态，汽车发动机的工况也随之变化，从而导致余热能量波动，从而影响ORC 循环的正常工作效能，为此，利用ORC 系统对汽车发动机余热能量进行回收的应用研究当前也还处于研究阶段。

2.1 发动机冷却系统余热温度特性

发动机工作过程中约有33%的热能是通过冷却系统排出到车外。从发动机整个系统来看，发动机冷却系统主作用在于保证发动机处于最佳工作温度范围内。为此，为了保证发动机工作在冷启动前期，冷却系统主要目的在于保障发动机系统温度快速上升，即小循环。当发动机持续工作过程中，冷却系统工作的主要作用在于将发动机工作过程中产生的余热排出几乎，保证发动机工作的稳定性，即大循环。为此，在发动机稳定工作过程中，通常汽车发动机冷却系统最佳温度为80 耀120 益，温度过高或者温度过低都会影响到发动机的工作性能。发动机余热利用需要基于发动机最佳工况下开展研究[7]。

影响发动机冷却系统温度的影响因素有较多，主要有：（1）环境温度；
（2）发动机工作状态；
（3）汽车运行工况；
（4）供暖系统对于温度的需求；
（5）冷却系统工作状态以及受海拔等影响的空气密度。为了探索发动机冷却系统的余热利用，广大科研工作者采用了实验分析、CFD 模拟分析和数值模拟等多种方法开展了研究，其中谢沅沅等人[8]，通过结合整车风洞模型，通过Trim 网格分区域划分法生成体的方法结合实验分析，深入研究了发动机冷却系统余热温度的特性。作为余热利用的热源，发动机冷却系统余热利用主要特点有：（1）余热温度稳定；
（2）冷却水温可控；
（3）热容量大等优点。但是，夏季发动机冷却系统与环境温度的温差较低通常只有50 耀70 益左右，作为余热发电热源还存在温度值偏低、流量受发动机运行工况影响不稳定和温度和流量受环境温度影响较大等问题。因此，长期以来一直没有在工程上对发动机冷却系统余热进行二次开发和利用[9]。

2.2 发动机尾气余热温度特性

发动机尾气通常在发动机工作过程中也会带走发动机约有三分之一的热能。通常，汽油车发动机排气歧管最高温度可以达到700 耀800 益，属于良好的吸收、吸附式制冷系统和温差发电的热源[10]。

而影响发动机尾气余热利用的影响因素主要有：（1）尾气催化处理对于温度的需求（通常最佳温度为400 耀800 益）；
（2）环境温度；
（3）发动机工作状态和汽车运行工况；
（4）受海拔等影响的空气密度；
（5）尾气压力等。

2.3 汽车发动机余热能量估算

汽车发动机的余热能量的多少，直接影响到汽车发动机余热回收的意义。天津大学的李广华、刘子奇[11，12]等人分别对汽车发动机尾气余热能量进行了估算，发现2.0 L 的汽车发动机尾气，在不同转速下可以达到8.5 耀42 kW，尾气能力利用效率最高超过46%，相当于汽油机输出功率的35% 耀42.4%，大大超过夏季汽车空调2 耀4 kW 的功率[13，14]。

3.1 汽车发动机余热分析

研究汽车发动机余热的基础在于先了解不同工作状态下汽车发动机余热温度和流量的特点。为此，论文针对某2.0T 内燃机在不同转速下汽车发动机余热温度和流量之间的关系模拟研究结果进行了研究，其基本情况如图1 所示[12]。发动机尾气的温度差异不大基本处于630 益 耀650 益之间，属于良好的吸收式空调温度工作范围。而在尾气流量方面，尾气流量基本随发动机转速的增加而增加。在发动机转速较低比较难以满足极端环境下汽车空调的需求。

图1 不同转速下汽车发动机尾气余热温度和流量之间关系图

3.2 蓄能式汽车发动机余热空调系统原理

吸收式制冷系统主要由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、工作介质、循环泵、节流阀等部件组成。其中，工作介质包括制取冷量的制冷剂和吸收、解吸制冷剂的吸收剂，二者组成工质对，以溴化锂吸收式制冷系统为例，工作介质为溴化锂溶液。通过水在蒸发器内蒸发过程吸收大量的热能实现制冷的目的，而水蒸发后由溴化锂浓溶液吸收获得溴化锂稀溶液。溴化锂稀溶液在蒸发器内蒸发后获得溴化锂浓溶液和水，实现制冷循环的目的[11-15]。

3.3 基于吸收式制冷原理的蓄能式汽车发动机余热空调设计

相对于普通的吸收式制冷系统，蓄能式汽车发动机余热空调系统主要在吸收器前端安装两个蓄能器，分别储存制冷吸收剂和冷剂。蓄能器的作用是，当汽车发动机功率较大时，将多余的制冷吸收剂和冷剂储存起来，当汽车发动机功率较小时，通过蓄能器补充吸收剂和冷剂。

从热源的角度来说，汽车发动机余热空调系统有3个部分的余热：发动机冷却液、发动机尾气以及余热空调蒸发器后高温溶液。以溴化锂吸收式汽车发动机预热空调为例设计出的两效蓄能式汽车发动机余热空调，其基本结构如图2 所示。当汽车发动机启动后，发动机高温冷却液和溴化锂稀溶液流入换热器1进行换热。加热后的溴化锂稀溶液在蒸发器2 内进行初次蒸发，初次蒸发后的水蒸气流入收集器5。初次蒸发后的溴化锂稀溶液进入尾气换热器4 进行加热，然后流入蒸发器3 进行二次蒸发，二次蒸发后的水蒸气与一次蒸发后的水蒸气从收集器5 内流入散热器6，冷却成水后流入蓄能器7。而二次蒸发后的浓溴化锂溶液则经散热器6 冷却后流入蓄能器8。空调系统启动后蓄能器7 和8 内的溴化锂浓溶液和水流入蒸发器9 进行制冷。吸收器内的溴化锂稀溶液则通过换热器11 流入换热器1，完成制冷循环。换热器11 内，通过对蒸发器3 后流出的溴化锂浓溶液进行降温，同时提高吸收器后溴化锂稀溶液的温度，进行热能二次利用，换热器1 内的发动机冷却液则通过散热器散热后进行冷却循环。

图2 蓄能式汽车发动机余热空调系统原理图

3.4 蓄能式汽车发动机余热空调系统性能对比

汽车发动机余热约占汽车发动机燃油热量的60% 耀70%。其中发动机尾气热量约占发动机工作热量30%左右，温度约90 益属于中低品位的热源。其中，发动机燃油热量的15% 耀30%由发动机冷却系统带走，温度处于630 耀650 益之间属于高品位余热热源。考虑到汽车发动机冷却系统温度，而发动机尾气的，再加上余热热源的不稳定性，带来了余热回收系统工作的不稳定性，通常研究的发动机余热系统只采用其中一种热源作为余热回收热源，效率较低、效果较差，较难实现工程应用。

为此，蓄能式汽车发动机余热空调系统，相对于传统的余热空调系统对比如图3 所示，通过利用低品位的热源和高品位热源的梯级利用，主要有以下3 点优势：（1）通过能量梯级利用实现余热利用的高效率；
（2）通过蓄能器实现制冷效能的稳定性；
（3）高温热源为后级热源，便于多效余热回收的实现，提高能源的利用效率。

图3 发动机余热空调系统特征对比图

3.5 蓄能式汽车发动机余热空调系统效益评价

尽管汽车发动机有充足的余热，可以满足汽车空调系统制冷的需求，然而在实际工作过程中，由于汽车发动机工作的状态并不恒定不变，汽车空调系统功率需求却较为恒定，这成为了汽车发动机余热回收制冷的主要困难。此外，由于吸收式制冷系统的体积较大、质量较重也直接影响到余热回收系统的使用。为此，通过蓄能器进行调节，进行吸收式汽车发动机余热空调的方法来实现对汽车余热进行回收的方案，相对于传统的吸收式余热空调系统，蓄能式汽车发动机余热空调系统主要具有以下2个优点：（1）余热回收效率高，通过发生器中的高温浓溴化锂溶液和高温汽车发动机冷却液二次加热后的溴化锂溶液再由发动机尾气换热器加热，余热回收效率大于发动机尾气加热回收效率。（2）空调系统工作不受发动机工况影响，更有利实际应用和商业推广。

尽管当前余热利用技术得到了较快的发展，且汽车发动机余热丰富，由于汽车工况的复杂性和质量等原因，当前尚无较好的汽车发动机余热利用技术应用于实践，这对于汽车技术发展、节能减排等都具有较大的负面的影响。

通过对汽车发动机余热利用技术、汽车发动机余热特性进行分析后，设计出一种蓄能式汽车发动机余热空调系统，具有余热回收效率高、高空调系统工作不受发动机工况影响、容易跟实际工程应用等优点。系统能在保证汽车发动机正常工作的前提下，能有效利用发动机的余热，提高发动机热效率，稳定的为汽车提供稳定的制冷效能，不仅有利于余热利用技术的发展更有利于汽车发动机热效率的提升，对于节能减排也具有非常重要的意义。

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